PyTips 0x08 - Python 字节与字节数组

Leo_chen 发布于2019-07-24 18:34 / 1691人阅读

摘要：回到对字节和字节数组的定义为了用计算机可以理解的数字描述人类使用的字符，我们需要一张数字与字符对应的表。由于和字符串一样是序列类型，字节和字节数组可用的方法也类似，这里就不一一列举了。

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0x07 中介绍了 Python 中的字符串类型，字符串类型是对人类友好的符号，但计算机只认识一种符号，那就是二进制（binary）数，或者说是数字：

上面这张图片来自 OpenCV，非常直观地解释了计算机处理的信息与我们看到的图像之间的关系。回到 Python 对字节和字节数组的定义：

The core built-in types for manipulating binary data are bytes and bytearray.

1Byte of ASCII

为了用计算机可以理解的数字描述人类使用的字符，我们需要一张数字与字符对应的表。我们都知道在计算机中 1 byte = 8bits，可以存储 0~255 共256个值，也就是说 1byte 最多可以表示 256 个字符，在最初的计算机世界中，256 足以容纳所有大小写英文字母和 0~9 阿拉伯数字以及一些常用的符号，于是就有了 ASCII 编码：

在 Python 中创建字节与字符串类似，只不过需要在引号外面加一个前缀b：

print(b"Python")
python = (b"P" b"y" b"t" b"o" b"n")
print(python)

b"Python"
b"Pyton"

Bytes 代表的是（二进制）数字的序列，只不过在是通过 ASCII 编码之后才是我们看到的字符形式，如果我们多带带取出一个字节，它仍然是一个数字：

print(b"Python"[0])

我们可以用 b"*" 的形式创建一个字节类型，前提条件是这里的 * 必须是 ASCII 中可用的字符，否则将会超出限制：

print(b"雨")

  File "", line 1
    print(b"雨")
         ^
SyntaxError: bytes can only contain ASCII literal characters.

错误提示说明：字节类型只能允许 ASCII 字符。

0~127~255

那么问题来了，我们发现上面的 ASCII 表里面所有的字符只占据了 [31, 127]，那对于这一范围之外的数字我们要怎么才能表示为字节类型？答案就是用特殊的转义符号x+十六进制数字：

print(b"xff"[0])
print(b"x24")

255
b"$"

反过来我们也可以将数字（0~255）转变成转义后的字节类型：

print(bytes([24]))
print(bytes([36,36,36])) # 记住字节类型是一个序列

b"x18"
b"$$$"

或者直接从十六进制得来：

print(bytes.fromhex("7b 7d"))

# 逆运算
print(b"{ }".hex())

int(b" ".hex(), base=16)

b"{}"
7b207d

encode

字符串有 decode 方法，而字节有 encode 方法，我们这里先简单看一下 encode("ascii") 。对于给定的字符我们可以通过编码得到它在编码表里面的坐标（即码位），因此对字符进行encode("ascii")操作是找到其在 ASCII 中的位置：

print("$".encode("ascii"))
print("$".encode("ascii")[0])

b"$"
36

也就是说字符 "$" （0x07中已经介绍过这是一个 Unicode 编码的字符）在 ASCII 中的位置就是 $（或者说36）。

可是如果我们对一些奇怪的字符进行 ASCII 编码，就会发生：

snake = "?"
try:
    snake.encode("ascii")
except UnicodeEncodeError as err:
    print(err)

# 正确的做法应该是用 UTF-8 进行编码，因为字符串都是 UTF-8 的
print(snake.encode()) # utf-8 by default

"ascii" codec can"t encode character "U0001f40d" in position 0: ordinal not in range(128)
b"xf0x9fx90x8d"

于是就得到了我们最熟悉的错误：ordinal not in range(128)，至于为什么是 128，现在应该很好理解了吧！

字节数组

和字符串一样，字节类型也是不可变序列，而字节数组就是可变版本的字节，它们的关系就相当于list与tuple。

ba = bytearray(b"hello")
ba[0:1] = b"w"
print(ba)

bytearray(b"wello")

由于和字符串一样是序列类型，字节和字节数组可用的方法也类似，这里就不一一列举了。

总结

字节（字节数组）是二进制数据组成的序列，其中每个元素由8bit二进制即1byte亦即2位十六进制数亦亦即0~255组成；

字节是计算机的语言，字符串是人类语言，它们之间通过编码表形成一一对应的关系；

最小的 ASCII 编码表只需要一位字节，且只占用了其中 [31,127] 的码位；

关于字节与字符串之间的关系，将在下一期[0x08]()详细介绍。

参考

Pragmatic Unicode

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